不同纖維在水工混凝土抗沖磨中的影響分析

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

山西大水網工程是以縱貫山西南北的黃河北干流和汾河兩條天然河道為主線，將黃河、桑干河等六大河流以及這些河流上的大中型水庫相連通，實現“兩縱十橫、縱貫南北、橫跨東西、六河連通、多源互補、保障應急、豐枯調劑、促進發展”的工程體系[1]。

在山西大水網工程建設中導流洞、溢流壩等過水建筑物經常會受高速水流的沖蝕磨損，如何降低混凝土耐磨性差所產生的維修費用，是水利工程中水工混凝土必須解決的課題，基于此本文進行了不同纖維在水工混凝土抗沖磨中的影響對比試驗研究。

1 研究內容

纖維是指由連續或不連續的細絲組成的物質。纖維混凝土是將一定量的非連續短纖維均勻的摻入混凝土中，用來增強混凝土的某些性能，又稱纖維增強混凝土[2]。本課題試驗研究是鋼纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維三種纖維。依照《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)和混凝土抗沖磨性能相關理論相結合的方法，研究水工混凝土摻入纖維后對其抗沖磨性能的影響程度，得出抗沖磨性能優良纖維混凝土的纖維種類和摻量值并進行性價比分析。

本課題主要研究的內容：

a.抗沖磨混凝土的抗壓強度設計等級一般在C40以上，主要材料是在普通混凝土中摻入外加劑、硅粉和纖維等。依據《水工混凝土配合比設計規程》(DLT 5330—2015)，得出試驗所需配合比基本參數。

b.分別對不摻纖維的高效減水劑基礎混凝土、鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土進行試驗數據分析，確定它們的最優配合比。

c.利用水下鋼球法對成型的抗沖磨混凝土試件進行抗沖磨性能試驗，綜合對比選出抗沖磨性能優良的纖維混凝土。

2 試驗原材料分析

抗沖磨混凝土配合比試驗所用材料包括膠凝材料、外加劑、細骨料、粗骨料、纖維以上材料經檢測均合格，滿足試驗要求。

3 試驗設計與分析

3.1 配合比設計

配制強度按式(1)確定：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

(1)

式中fcu,k——混凝土的設計強度等級值,MPa；

σ——混凝土強度標準差,MPa；

fcu,o——混凝土的配制強度,MPa。

依據《水工混凝土配合比設計規程》，配制C40混凝土時σ可取5MPa，即C40抗沖磨混凝土的配制強度應不小于48.2MPa(混凝土強度保證率95%)。

抗沖磨混凝土水膠比宜按式(2)計算：

(2)

式中αa、αb——回歸系數；

fb——膠凝材料28d膠砂抗壓強度,MPa；

W/B——混凝土水膠比。

按該式計算配制C40抗沖磨混凝土，當粉煤灰摻量在10%～30%，硅粉摻量4%～8%，聚羧酸減水劑試驗摻量為膠料的2%～2.5%；砂率為30%～40%，最終試配得到合適的配合比參數見表1。

表1 抗沖磨混凝土配合比基本參數

另外，試驗用鋼纖維長30mm、聚丙烯纖維與聚乙烯醇纖維長12mm。

3.2 配合比試驗與抗沖磨性能分析

試驗按照《水工混凝土試驗規程》的技術要求進行，經過多次試配后可以得出：在纖維混凝土配合比試驗中，攪拌工藝應當保證摻入的纖維在混凝土拌和料中均勻分散，不產生結團現象，釆用先將纖維、水泥、粗細骨料等干拌后再加入高效減水劑和水濕拌；試件宜采用振動臺振實，振動成型時一邊將拌合物裝模一邊用抹刀沿試模內壁稍加插搗，一直至混凝土表面出漿(振動時間控制在30s左右)；養護過程按照試驗規程要求，在達到齡期做抗沖磨試驗前應將試件放入水中浸泡至少48h，使其吸水飽和。

試驗采用水下鋼球法測定水工混凝土抗沖磨試件受水下高速流動介質磨損的相對抗磨性能。依據試驗規程，抗沖磨強度按式(3)計算：

(3)

式中Ra——抗沖磨強度，指在單位面積上被磨損單位質量所需的時間，h/(kg/m2)；

T——試驗累計時間，h；

A——試件受沖磨面積，m2；

MT——經T時段沖磨后，試件損失的累計質量，kg。

本次試驗依據抗沖磨水工混凝土配合比基本參數分為添加高效減水劑、粉煤灰和硅粉的基礎混凝土試驗編號KM01、每m3混凝土摻入鋼纖維10kg的混凝土試驗編號KM02，鋼纖維摻入量加大到40kg的混凝土試驗編號KM03，摻入聚丙烯纖維的混凝土試驗編號KM04，摻入聚乙烯醇纖維的混凝土試驗編號KM05。

抗沖磨水工混凝土配合比見表2、摻各種纖維水工混凝土抗沖磨性能情況見表3、摻纖維水工混凝土抗沖磨性能對比如下圖所示。

表2 抗沖磨水工混凝土配合比 單位：kg/m3

表3 摻不同纖維水工混凝土抗沖磨性能情況

摻纖維水工混凝土試件抗沖磨性能對比圖

3.3 試驗結果

從對比圖和表3可以看出：?在本次試驗中摻入纖維后水工混凝土抗沖磨強度依次增強的順序是鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維；?鋼纖維在每m3混凝土摻10kg時，抗沖磨強度比沒有摻纖維的混凝土抗沖磨強度稍強(本試驗摻入高效減水劑等成分的試件KM01的28天齡期抗壓強度檢測值為48.9MPa，滿足設計要求)；?鋼纖維每m3混凝土摻40kg時抗沖磨強度與聚丙烯纖維每m3混凝土摻1kg時的抗沖磨強度相差不大；?相同摻量聚乙烯醇纖維比聚丙烯纖維的水工混凝土抗沖磨強度高，但差距不大。在市場上聚乙烯醇纖維的價格是聚丙烯纖維的十倍左右，聚丙烯纖維的價格是鋼纖維價格的兩倍左右。因此，在水工混凝土按照設計，摻聚乙烯醇纖維的水工混凝土抗沖磨強度最高，但摻聚丙烯纖維性價比最優。

4 結 語

纖維混凝土可以很好的改善普通混凝土的脆性，使混凝土的韌性增強，抗沖磨性能增強。本文對不同纖維在水工混凝土抗沖磨性能進行研究，在滿足設計要求的前提下，摻鋼纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維都可以提高混凝土的抗沖磨性能，其中摻聚乙烯醇纖維的水工混凝土抗沖磨強度最高，摻聚丙烯纖維性價比最優。另外，纖維摻入混凝土配合比試驗時混凝土拌和工藝、試件的成型過程、養護方法也很關鍵。

本次研究還有一些不足，如摻入不同量的鋼纖維后混凝土抗沖磨強度變化趨勢、摻入纖維后混凝土的抗裂性能變化情況等都有待深入探討。